城市集中供热系统控制策略的探讨

高 彦 兵

(北京华优建筑工程设计有限责任公司，北京 100038)



城市集中供热系统控制策略的探讨

高 彦 兵

(北京华优建筑工程设计有限责任公司，北京 100038)

结合工程实例，介绍了城市集中供热系统的工艺过程，从热力首站与热力子站两方面，阐述了集中供热的控制策略，经实际运行，实现了集中供热热网的集中动态平衡控制，有效解决了一次网的水力平衡和热力平衡问题。

集中供热系统，循环水，换热器，补水泵

0 引言

我国北方地区冬季目前普遍采用集中供暖方式进行供热。热电厂通过城市高温供热管道将热水送至各居民小区、企业中的换热站。在换热站，高温管道中的热水与二次网的热水通过换热器交换热量。经过换热后，二次网中热水流入各居室中。在以上过程中，供热调度部门需要对分散在不同地理位置的首站和换热站中的热量、温度、压力、流量、液位等参数进行集中实时监视，控制换热站中各设备的运行。故城市集中供热系统采用科学合理的热力首站和热力子站控制策略就显得尤为重要，并需结合现代的供热理论，采用“管、控一体化”的方法，实现用最少的能源消耗，达到最经济、优质、安全的供热目标，保证整个冬季供暖的稳定运行。

1 工程概况

工程地点位于山东省南部，该城市集中供热系统改造项目的最终供热面积约1 000万m2，包括热力首站两个(原低温循环水热网、新高温水管网)，二级换热站约150个。其中首期项目改造380万m2，首站一个，二级换热站约50个。首站为汽水换热站，汽水换热器为卧式，循环水泵为汽轮机推动的泵。二级换热站内大部分为换热机组。在该集中供热系统改造项目中新建一个换热首站及50个二级换热子站自控系统，热网调度室监控中心，SCADA系统和能源管理系统。实现二级换热子站、换热首站全网的科学化调度、控制和管理。

该城市集中供热系统的热网控制系统设计目标明确为：

1)实现热网的“管、控一体化”，将供热系统的能源管理与控制系统结合在一起。2)实现热网的集中动态平衡控制，有效地解决一次网的水力平衡和热力平衡。3)实现节能降耗的优化控制及决策支持。4)实现控制系统的稳定可靠设计。

2 集中供热工艺过程

2.1 首站工艺描述

1)循环水。来自凝汽器的循环回水，经并联运行的1号、2号、3号、4号蒸汽泵加压后，分三路进入1号、2号、3号换热器，在换热器内通过蒸汽加热。3台换热器出口的高温水汇总至高温水供水总管，送至二级换热站。

2)补充水。来自化学水处理系统的软化水，送入补水箱，经补水泵送入回水母管，补充损失的循环水量。

3)蒸汽。来自热电厂的蒸汽，分两路进入换热器。第一路蒸汽先送至并联运行的1号、2号、3号、4号汽轮机，驱动蒸汽泵加压循环回水，4台汽轮机出口的蒸汽汇总后，送至1号换热器。第二路蒸汽分别送入2号、3号换热器，与循环回水进行热交换。

4)凝结水。换热器内蒸汽产生的凝结水，回入凝结水箱，经泵送至锅炉系统除氧器。

2.2 热力子站工艺描述

1)一次水。来自换热首站的高温水，进入热交换机组，与来自供热用户的二次回水进行热交换，经热交换后的回水，送至换热首站的回水母管。

2)二次水。来自供热用户的二次水回水，经循环水泵送入热交换机组，与来自换热首站的高温水进行热交换，经加热后进入二次水供水母管，送至供热用户。

3)补水。当二次水回水压力低于工艺要求的压力时，串联在一次水回水和二次水回水之间的电动调节阀自动打开，由于一次水压力高于二次水压力，一次水回水自动补入二次水回水管道中。

3 集中供热控制策略

3.1 热力首站控制策略

1)监控对象说明。首站系统主要监控对象为蒸汽总管流量，补水总管流量，凝结水总管流量，蒸汽进换热器总管流量、压力、温度及电动调节阀，蒸汽进汽动泵总管流量，高温供水总管、热量、压力、温度及电动蝶阀，高温回水总管的流量、压力，4台汽动泵进出口水的压力，泵进出口蒸汽压力调节阀、蝶阀；3台换热器液位、进水电动蝶阀、出水电动调节阀、进出水压力；进气侧电动蝶阀、压力、温度；疏水出水调节阀、压力；2台补水泵运行参数及进出口压力，补水箱液位，3台凝水回收泵运行参数、回水流量及压力。系统采用德国西门子S7-400H型PLC对其实现控制功能。

2)主要控制策略。对于按照采暖面积收费的供热系统，应该采用热源优先调节的控制方法。即根据室外气温(日平均温度)的变化，采用热负荷预测方法确定当日的供热负荷，并由此计算出当日的供水流量和供水温度。由此就决定了首站中循环水泵和热网换热器的控制调节方法。

a.汽动泵及入口阀控制。

4台汽动泵3用1备，用同一个控制信号去控制阀门的动作。

首站采用热量控制法来对热力站的供热进行调节，即首站的汽动泵入口调节阀用于调节控制汽动泵的转速，通过转速来控制高温水循环的流量，由于首站系统利用了发电汽轮机凝汽器的热量，进行低真空循环水供热，因此一次水的流量不宜进行大幅度的调节，而应采用定流量的质调节(如果在初寒期和末寒期热负荷较低时，不能投入全部的3台汽机，则可采取分阶段改变流量的质调节)。

其工作原理是：系统的总流量由于受到凝汽器最小循环水流量的限制，因此在第一阶段(采暖面积380万m2)热网的总流量基本上是定值，今后在供热规模扩大后，总流量有了一定的调节范围后，亦可作一定的变流量调节，根据热负荷预测软件所确定的当前流量，调节汽动泵入口调节阀，改变水泵的转速，进而达到控制热网总流量的目标。

b.汽水换热器的控制。

1号换热器承接循环水泵汽轮机的排气，此排气量取决于汽轮机的转速。汽水换热器的蒸汽入口不做调节。

根据热负荷预测软件，计算出高温水供水总管温度的设定值，对2号、3号换热器蒸汽入口调节阀进行PID调节，通过调节阀门开度改变蒸汽流量，使高温供水温度控制在设定值范围内。

该换热器上配有两组蒸汽输入口，每组输入口上配置了1台电动碟阀和一电动调节阀，当负荷高于50%时，两组全部投入调节，当负荷低于50%时，关断一组阀门，由另一组阀门进行调节。

c.换热器疏水阀的控制。

根据换热器当前负荷和冷凝水的出口流量计算出当前换热器的液位设定值，对换热器内压力进行控制，同时进行换热器水位控制，以换热器水位和冷凝水出口流量对疏水阀进行PID调节，使换热器水位和冷凝水流量控制在该时段的计算设定值，当负荷小于某个设定值时，调节疏水阀门的开度控制换热器水位，增加水位同时减小换热面积以达到控制的目标温度，以保持高温供水温度的恒定和换热器液位的稳定。

3)凝水回收泵的控制。3台凝水回收泵采用2用1备方式，操作人员在人机界面选择任意一台为备用，当2台主凝水回收泵中的任意一台发生故障时发出声光报警，并自动启动备用泵工作。根据凝结水箱液位进行调节，通过水箱液位改变凝水回收泵的频率，进行PID调节使整个水箱液位保持恒定，使液位控制在该时段的目标值。当软水箱液位低于某一低限设定值时，停止1台回收泵，以节省凝水回收泵的电耗。

4)补水泵的控制。2台补水泵采用1用1备方式，操作人员在人机界面选择1台为备用，当主补水泵发生故障时发出声光报警，并自动启动备用泵工作。凝汽器供水总管(热网回水总管)压力进行调节，通过给水压力改变补水泵的频率，进行PID调节使整个供水水压控制在设定范围值内，从而达到调节凝汽器出水管压力和给高温循环水补水的作用。

3.2 热力子站控制策略

1)监控对象说明。

本系统监控对象为一次管网和二次管网，完成热力站系统温度、压力、流量、热量等参数的采集、监控，负责热力站一次侧调节阀的控制，二次侧循环水泵的变频调节控制及补水电磁阀和补水泵的控制，并将变频器及各类仪表、阀门的运行参数、计量参数上传监控中心进行监控，同时热力站的现场装有1个触摸屏，可进行现场操作和监控。每个热力站有热量计1台、压力变送器5台、温度传感器4只、流量计2台、电动调节阀1台、电动开关阀1台、循环水泵2台、变频器1台，控制方式为一拖二等组成。系统采用德国Beckhoff BX9000型PLC对其实现控制功能。

2)主要控制策略。

a.一次循环水调节阀的控制。

热力站一次水系统采用控制一次水的输出热量方法，来对二次网供暖用户的供热进行调节，即热力站一次水调节阀用于调节控制一次水的流量。其工作原理是：热网集中监控中心根据热力负荷预测算法，计算得出下一段时间内(通常为下一天内)各时段各热力站的热力负荷设定值；并根据热网平衡调度、各热力站间均匀性调节等对各热力站热力负荷设定值进行调整。各热力负荷设定值即为各热力站在各时段由一次网向二次网供暖用户输出热量的设定值。该设定值经计算转换为阀门的开度值，并且写入PLC控制阀门执行该时段内的开度。调节阀通过改变一次水流量，使热力站一次水的输出热量(热量计读数)控制在该时段热量的设定值。现场热量计进行数据采集，把数据反馈到热力中心，作为检查执行情况及下一时段调整数据的参考依据。

b.二次循环水泵的控制。

主要由两套循环水泵、循环水泵变频器、二次供回水温度传感器、二次供回水及循环泵出口压力传感器等组成。

二次水系统采用质—量并调的方式对供暖用户供热进行调节，即通过改变二次水循环水泵转速，改变二次水的流量来进行流量调节，以节省循环水泵电耗。其工作原理是：根据室外温度及流量调节算法，计算二次水循环流量的设定值。二次水循环泵改变转速，进行PID调节，使二次水循环流量控制在该时段流量的设定值。

c.补水调节阀的控制。

硬件主要由补水调节阀、二次水回水压力传感器、补水流量计等组成。

补水调节阀有着补水和定压两重功效，其通过控制二次水回水的压力在安全设定值范围内，以保证二次网系统的安全运行。其工作原理是：根据二次水回水压力作为反馈信号，在触摸屏上设定二次网的上下限压力值，与回水压力作比较，反馈值小于设定下限时开阀，补水压力上升到上限时关阀，使二次水回水压力控制在安全设定值范围内。

对于部分失水量大的换热站系统设置补水泵1台，补水泵采用变频控制。当补水流量超过上限时关闭补水阀，低于下限时开启补水泵补水，补水泵采用PID控制，使水管压力控制在设定值。

3)循环水泵启停控制。

在对二次侧的循环水泵控制时，操作员需要首先对2台泵在监控画面上进行主备选择，并可进行启动时间设定，点启动后系统检测没有任何故障的情况下，优先启动主用泵，当主用泵有故障的情况下，系统自动切换到备用泵上。接触器闭合动作完成后，系统将判断几个接触器的状态是否正常，正常后将启动变频器，水泵进入运行状态。接触器状态不对，将停机报警。

4 结语

该城市集中供热系统改造工程通过采用上述热力首站和热力子站的控制策略并结合计算机自动化控制系统，经过两年的实际运行，实现了集中供热热网的集中动态平衡控制，有效地解决了一次网的水力平衡和热力平衡问题。该控制策略较好地结合了该项目的具体情况，是切实可行的控制方案，此方案的应用进一步提高了热力公司的管理水平和经济效益。

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Discussion on controlling strategies of urban concentration heat-supply system

Gao Yanbing

(BeijingHuayouArchitecturalEngineeringDesignCo.,Ltd,Beijing100038,China)

Combining with the engineering cases, the paper introduces the craft process for the urban concentration heat-supply system, illustrates the controlling strategies for the concentration heat-supply from the thermal head and substation, and realizes the concentration dynamic balance control of the concentration heat-supply network by its operation, so as to solve some hydraulic and thermal balance of the primary network.

concentration heat-supply system, circulation water, heat exchanger, make-up pump

1009-6825(2016)05-0136-03

2015-12-05

高彦兵(1980- )，男，工程师

TU833

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